||| Natrag: Uvod | Gore: Računarska grafika | Naprijed: Interaktivna računarska grafika |

2.2 Arhitekture grafičkih sustava

Tehnologija prikaznih uređaja bitno utječe na arhitekturu grafičkih sustava. U tom smislu razlikujemo dvije osnovne skupine grafičkih sustava:

• vektorski grafički sustavi (sustavi s proizvoljnom putanjom otklonjene zrake),

• rasterski grafički sustavi (sustavi sa sekvencijalnom putanjom otklonjene zrake).

2.2.1 Vektorski grafički sustavi

Vektorski grafički sustavi razvijani su od sredine 60-ih godina i u standardnoj uporabi bili su do sredine 80-ih godina. Pojam “vektor” ovdje označava crtu. Crta koja povezuje dvije (proizvoljno) odabrane točke na zaslonu osnovni je element grafičkog prikaza. Putanja zrake određena je slijedom naredbi iz prikazne liste ili prikaznog programa i povezuje krajnje točke pojedinih crta.

Dijelovi vektorskog grafičkog sustava su:

• prikazni procesor priključen kao U/I uređaj na glavni procesor (interpretira grafičke naredbe i proslijeđuje koordinate točaka vektorskom generatoru),

• prikazna privremena memorije (sadrži prikaznu listu ili prikazni program),

• vektorski generator (pretvara digitalne koordinate u analogne vrijednosti napona za otklonski sustav)

• prikazni uređaj.

Arhitektura grafičkog sustava s vektorskim prikaznim uređajem prikazana je na slici 2.1:

Slika 2.1  Arhitektura grafičkog sustava s vektorskim prikaznim uređajem.

Prikazna lista ili prikazni program sadrži niz grafičkih naredbi (npr. za crtanje točaka, crta, znakova). Na kraju je naredba JMP (skok) koja upućuje procesor na početak liste. Procesor ciklički ponavlja naredbe iz prikazne liste frekvencijom od najmanje 30 puta u sekundi i na taj način stvara privid mirne slike jednolikog intenziteta na fosfornom zaslonu koji zadržava osvijetljenost u desetcima ili stotinama mikrosekundi.

Slika 2.2  Arhitektura vektorskog grafičkog sustava.

Glavni procesor izvodi aplikacijski program i grafički paket koji su pohranjeni u memoriji sustava. Grafički paket kreira prikaznu listu i ukazuje na početnu naredbu. Memoriji sustava pristupaju glavni procesor i grafički prikazni procesor (prikazna procesorska jedinica, grafički kontroler). Grafički prikazni procesor dohvaća, dekodira i izvodi naredbe iz prikazne liste. Procesor u pravilu ima X i Y registre i brojač naredbi. Naredbe su definirane kao 16-bitovne riječi. Tipična je naredba LD s inačicama M, P, L (load and move; load and point; load and line) za pomak, crtanje točke i crtanje ravne crte. Parametar R/A određuje da li se radi o relativnoj ili apsolutnoj adresi.

Slika 2.3  Struktura naredbi LD i značenje vrijednosti parametara {X/Y} i {R/A}.

Slika 2.4  Primjer prikazne liste koja prikazuje kvadrat stranice duljine 400 s lijevim donjim vrhom u točci (100,100).

Vektorski grafički sustavi nemaju mogućnost prikaza ispunjenih površina, manipulaciju bitovima i tablicama, ali mogu ostvariti veće rezolucije od rasterskih sustava i prikazivati glatke kose crte. 

2.2.2 Rasterski grafički sustavi

Slika 2.5  Arhitektura grafičkog sustava s rasterskim prikaznim uređajem.

Slika 2.6  Putanja zrake (raster scan) pri kreiranju prikaza na rasterskom prikaznom uređaju.

Osnovni dijelovi rasterskih grafičkih sustava su:

• slikovni element -  elementarna površina na zaslonu čijom svjetloćom (ili bojom) je moguće upravljati (piksel, pel - picture element)

• raster - niz paralelnih horizontalnih redova slikovnih elemenata, pravokutna matrica slikovnih elemenata koja prekriva čitavu površinu zaslona

• bitovna matrica (bitmap) - matrica čiji elementi (1, 0) predstavljaju svjetloću (ili boju) odgovarajućih elemenata pravokutnog rasporeda osvjetljivih točaka zaslona (slikovnih elemenata) u dvorazinskom sustavu (informacijski kapacitet 1 bit/piksel)

• matrica slikovnih elemenata (pixmap - pixel map) - matrica čiji elementi predstavljaju boju odgovarajućih elemenata pravokutnog rasporeda osvjetljivih točaka zaslona (slikovnih elemenata) u višerazinskom sustavu (informacijski kapacitet n bit/piksel)

U dvorazinskim sustavim s 1024x1024 piksela čitava bitovna matrica zauzima 2²⁰ bitova odnosno 128 kB. Jednostavniji sustavi imaju 8 bit/piksel što odgovara 256 razina sivog ili boja, dok složeniji sustavi imaju 24 bit/piksel što odgovara 16 milijuna boja i zahtijeva 3.75MB memorije za pohranu.

Da bi se ubrzao proces pretvorbe modela slike u rasterski prikaz često se koriste posebni namjenski procesori (raster image processor) koji imaju ulogu koprocesora ili ubrzivača (accelerator).

Prednosti rasterskih grafičkih sustava u odnosu na vektorske grafičke sustave:

• jednostavni i jeftini otklonski sustavi (jednostavnije je realizirati otklonski sustav koji uvijek istom putanjom prelazi sve aktivne točke zaslona nego sustav koji može precizno upravljati proizvoljnom putanjom zrake),

• mogućnost prikaza površina ispunjenih bojom ili uzorkom (važno za 3D prikaze),

• neovisnost postupka osvježavanja o složenosti slike.

Nedostatci rasterskih grafičkih sustava u odnosu na vektorske grafičke sustave:

• računska složenost (zbog diskretizacije slikovnih prikaza objekata),

• diskretna narav slike (zbog zrnate strukture slike kose i zakrivljene crte su nazubljene ili stepeničaste),

Usporedba načina kreiranja grafičkog prikaza na rasterskom i vektorskom prikaznom uređaju prikazana je na slici 2.7.

Slika 2.7  Usporedba načina kreiranja grafičkog prikaza na rasterskom i vektorskom prikaznom uređaju: a) idealna slika, b) slika generirana na vektorskom uređaju, c) slika generirana na rasterskom prikaznom uređaju, d) rasterski prikaz s ispunjenjem slike.

Arhitekture rasterskih prikaznih sustava

U rasterskim prikaznim sustavima grafički prikazni procesor (grafički kontroler, prikazni koprocesor) pretvara izlazne primitivne oblike u bitovnu matricu, te izvodi transformacije i izmjene. Sustavi se razlikuju s obzirom na raspodjelu poslova između glavnog procesora i grafičkog prikaznog procesora te na način pohrane bitovne matrice.

Jednostavni rasterski prikazni sustav

Arhitektura jednostavnog rasterskog prikaznog sustava prikazana je na slici 2.8. Osnovna svojstva ove arhitekture su:

• odnos memorije i glavnog procesora je isti kao kod negrafičkih sustava,

• dio memorije služi kao bitovna matrica (fiksni dio, stranice, proizvoljni dio),

• aplikacijski program i grafički paket pohranjeni su u memoriji sustava, a izvodi ih glavni procesor,

• video kontroler prikazuje slike pohranjene u okvirnom međuspremniku,

• video kontroler koji sadrži generator adresa i otklonskih signala adresira lokacije međuspremnika okvira u memoriji, a podaci određuju intenzitet ili boju slikovnih elemenata,

• nedostatak ovakve arhitekture je sporost i veliki broj pristupa memoriji.

 

Slika 2.8  Arhitektura jednostavnog rasterskog prikaznog sustava.  

Video kontroler ima zadaću stalnog osvježavanja prikaza. Da bi se izbjegao efekt treperenja osvježavanje se treba obavljati frekvencijom od minimalno 60 Hz. Ako se svi retci piksela u rasteru osvježavaju istovremeno radi se o sustavu bez prepletanja (noninterlaced). Ako se izmjenično osvježavaju parni i neparni retci u rasteru (u pravilu upola manjom frekvencijom) radi se o  sustavu s prepletanjem (interlaced). Na slici 2.9 je prikazana logicka organizacija videokontrolera. Generator horizontalnih i vertikalnih otklonskih signala usmjerava zraku na odredeni slikovni element na zaslovu. Istovremeno generira i horizontalnu i vertikalnu adresu piksela u koordinatnom sustavu zaslona. Na temelju tih koordinata izračunava se linearna adresa (adresa pripadajuće memorijske lokacije) na kojoj se nalaze podaci o svjetloći ili boji slikovnog elementa. Na temelju tih podataka postavljaju se parametri svjetlosnih izvora koji odreduju svjetloću ili boju slikovnog elementa.

Slika 2.9  Logička organizacija video kontrolera.

Zbog uštede memorijskog prostora video kontroler često sadrži pretvorbenu tablicu (look-up table, LUT). Pretvorbena tablica ima onoliko elemenata koliko ima različitih vrijednosti piksela. Vrijednost piksela ne koristi se izravno za upravljanje bojom piksela nego predstavlja pokazivač u pretvorbenu tablicu. Pokazana vrijednost iz pretvorbene tablice upravlja zrakama koje određuju boju piksela na zaslonu. Na slici 2.10 je prikazana logička organizacija pretvorbene tablice s 256 elemenata koja je povezana s međuspremnikom s 8 bit/piksel. 

Slika 2.10  Logička organizacija pretvorbene tablice.

Rasterski prikazni sustav sa zasebnim prikaznim procesorom

Uvođenjem zasebnog prikaznog procesora koji preuzima grafičke funkcije kao što je pretvorba modela u rasterski prikaz mogu se poboljšati svojstva sustava u odnosu na jednostavni rasterski prikazni sustav. U tom slučaju u sustavu će procesorske funkcije biti raspodijeljene izmedu dva procesora: glavnog procesora opće namjene i specijalizirano grafičkog prikaznog procesora. Pored toga u sustavu su definirana tri odvojena memorijska područja: glavna memorija sustava, memorija prikaznog procesora i zasebni međuspremnik okvira. Memorija sustava sadrži aplikacijski program, grafički paket i operacijski sustav. Memorija prikaznog procesora sadrži podatke i programe za stvaranje slike. Slika se pohranjuje u okvirni međuspremnik. Ovakvom organizacijom memorije omogućava se istovremeni pristup odgovarajućim dijelovima memorije od strane dvaju procesora i video kontrolera. Arhitektura rasterskog prikaznog sustava sa zasebnim procesorom prikazana je na slici 2.11.

Slika 2.11  Arhitektura rasterskog prikaznog sustava sa zasebnim prikaznim procesorom.

Primjeri naredbi za prikazni procesor su:

Move (x,y) - pomak na lokaciju određenu koordinatama (x,y)
MoveR (dx,dy) - relativni pomak u odnosu na trenutnu lokaciju za (dx,dy)
PixelValue (indeks) - vrijednost indeksa upisuje se u registar INDEX. Ova vrijednost se upisuje u memorijske lokacije u bitovnoj matrici kad im se pristupi prilikom izvođenja naredbi za crtanje primitivnih oblika npr. Line (x,y)
Line (x,y) - crtanje crte od trenutne lokacije do lokacije (x,y)
LineR (dx,dy) - crtanje crte od trenutne lokacije do lokacije udaljene za (dx,dy)
AreaFill(a) - ispunjavanje površne definirane naredbama za crtanje zatvorenih likova (parametar a označava aktivnost ili neaktivnost naredbe)
LuT (indeks, r, g, b) - lokacija određena parametrom indeks popunjava se vrijednostima parametara r, g i b

Raspodjela funkcija između procesora opće namjene i specijaliziranog grafičkog procesora može se obaviti na različite načine. Prednosti i ograničenja različitih pristupa slijede iz činjenica da su specijalizirani procesori u pravilu brži u izvođenju namjenskih funkcija, ali su istovremeno i skuplji od procesora opće namjene.

Nedostatci ove arhitekture proizlaze iz potrebe za međusobnom komunikacijom dvaju procesora i prijenosom sadržaja između različitih memorijskih prostora npr. jedan memorijski sadržaj priprema se i mijenja u jednom memorijskom prostoru, a isčitava se iz drugog memorijskog prostora. Ove komunikacije i prijenosi sadržaja mogu predstavljati značajno opterećenje za sustav u cijelosti.

Rasterski prikazni sustav s jedinstvenim memorijskim prostorom *

Nedostatci arhitekture rasterskog sustava sa zasebnim prikaznim procesorom mogu se izbjeći objedinjavanjem memorijskog adresnog prostora. U tom slučaju moguća je fleksibilna dodjela memorijskih prostora i pristupa što pojednostavnjuje i programiranje. Arhitektura rasterskog prikaznog sustava s integriranim procesorom prikazana je na slici 2.12.

Slika 2.12  Arhitektura rasterskog prikaznog sustava s integriranim prikaznim procesorom.  

Nedostatci ove arhitekture proizlaze iz potrebe za istovremenim pristupom memoriji od strane dvaju procesora. Jedno rješenje je u korištenju priručne memorije u samom procesoru opće namjene (cache memorija). Time se smanjuje broj i učestalost pristupa memoriji od strane glavnog procesora. Jedan način poboljšanja sustva je i korištenje posebne vrste memorije kao što je video RAM (VRAM) koja u jednom instrukcijskom ciklusu omogućava pristup odabranoj skupini piksela i promjenu njihove vrijednosti.

2.2.3 Vektorska i rasterska grafika

Povratak na: Početak stranice | Sadržaj

  ||| Natrag: Uvod | Gore: Računarska grafika | Naprijed: Interaktivna računarska grafika |

Inženjerska grafika, Copyright © D.Begusic